图 1. 3 Λ H 与3 He的产率比与 Pb-Pb 碰撞带电粒子多重密度的关系，以及理论预测。来源：ALICE Collab。2024 arXiv:2405.19839
根据宇宙学标准模型，第一代原子核是在大爆炸后不久产生的热夸克和胶子混合物冷却过程中产生的。相对论重离子碰撞在小规模上产生夸克胶子等离子体 (QGP)，产生“小爆炸”。在这种碰撞中，由于火球的快速冷却，核合成机制与大爆炸不同。最近，ALICE 合作通过测量超氚子的产生，研究了重离子碰撞中的核合成机制。
超氚子由一个质子、一个中子和一个Λ超子组成，可以看作是一个松散结合的氘-Λ分子”)。在这幅图中，将Λ与氘分离所需的能量(B Λ) 约为 100 keV，明显低于普通原子核的结合能。这使得超氚子的产生成为探测火球性质的灵敏探测器。
在重离子碰撞中，原子核的形成可以用两类主要模型来解释。统计强子化模型 (SHM) 假设粒子是由处于热平衡状态的系统产生的。在这个模型中，原子核的产生率仅取决于它们的质量、量子数以及系统的温度和体积。另一方面，在聚结模型中，原子核是由相空间中彼此靠近的核子形成的。在这些模型中，原子核的产生率也对其核结构和大小敏感。
对于像氘这样的普通原子核，聚结和 SHM 预测所有碰撞系统中的生成率相似，但对于像超氚这样的松散结合分子，这两个模型的预测结果截然不同。为了确定核生成的机制，ALICE 合作小组使用了超氚和氦-3 生成率之比(也称为产率比)作为可观测量。
ALICE 使用 LHC 运行 2 期间以每核子对 5.02 TeV 的质心能量收集的 Pb-Pb 碰撞，测量了超氚子生成量与带电粒子多重密度的关系。图 1 显示了不同多重间隔内超氚子与3 He 的产率比。数据点(红色)与 SHM(橙色虚线)有明显偏差，但可以通过聚结模型(蓝色带)很好地描述，支持 LHC 上超氚子的形成是由聚结机制驱动的结论。
正在进行的 LHC 第三次运行有望提高所有碰撞系统中这些测量的精度，使我们能够探测超氚子甚至更重的超核的内部结构，这些超核的性质在很大程度上仍不为人所知。这将为普通核子和超子之间的相互作用提供见解，这对于理解中子星的内部组成至关重要。
